Unity 中的旋转和朝向

最新推荐文章于 2024-08-16 08:15:00 发布

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本文深入探讨Unity中旋转和朝向的实现方式，重点对比欧拉角和四元数的特点与应用场景。揭示了Unity为何选择四元数作为内部表示，同时解释了欧拉角在编辑器中的优势。此外，文章还提供了编程中使用四元数和欧拉角的正确实践，以及在动画处理中避免旋转限制的方法。

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Rotation and Orientation in Unity
欧拉角和四元数

Rotation and Orientation in Unity

官方文档地址：Rotation and Orientation in Unity

Unity中的旋转，通常用四元数和欧拉角来表示。它们都有优缺点。Unity内部用四元数，在Inspector中显示欧拉角形式，因为该方法已于理解和编辑。

欧拉角和四元数

欧拉角

欧拉角由按照顺序在x,y,z轴上进行的旋转表示，当将一个欧拉角应用到一个GameObject时，每个轴上的旋转都会被分别应用。

好处：欧拉角对于人来说时可读的，可以跟读欧拉角在脑海建立旋转概念。
好处：欧拉角可以表达超过180度的旋转，对应的，四元数会“寻找”旋转的最短路径，但是有时可能逻辑上是不正确的，比如对于一个不能以360度旋转的炮塔，从最左旋转到最有，对端路径会打破旋转限制。
限制：欧拉角受限于万向锁 Gimbal Lock，当在3个轴上旋转时，可能第一次或第二次旋转导致第三次旋转轴指向跟前面旋转的轴同样的方向，叫做“degree of freedom”(旋转自由度)丢失，因为第三个旋转值无法应用到对应的轴上，也可以理解为丢失了一个旋转轴。

四元数

四元数可以被用来表示旋转或对象的朝向。该数学模型，用4个数来表示(x,y,z,w)，然而这些数字既不表示旋转轴，也不表示旋转角度，无法理解，所以我们不能直接修改xyz分量的值(w表示角度，可能会发生错误。除非你非常了解这背后的数学原理。

小秘密：轴和角度藏在四元数中。假设沿着轴(nx,ny,nz)旋转，角度为A度，则四元数为：

[w, x, y, z] = [cos(A/2), sin(A/2)nx, sin(A/2)ny, sin(A/2)nz]

Vector3可以表示位置和方向（当表示方向时，时原点在000点），一个四元数可以表示朝向和旋转，当表示旋转时，是从identity开始的旋转。四元数不能表达超过180度的旋转。

好处：没有万向锁问题
限制：不能表达超过180度的旋转，四元数用-180到180来表示360度的旋转。
限制：不可读，无法直接理解值的含义。

Unity用四元数来存储GameObject的旋转，因为四元数更加健壮。

但是在Inspector面板上，显示的旋转是用欧拉角来表示的，因为欧拉角是可读可编辑的。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-1KdbpY1X-1580048145871)(https://docs.unity3d.com/uploads/Main/InspectorRotationEulerAngles.png)]

所以，可以看到，如果我们可以在Inspector中设置x:0,Y:365,Z:0来设置对象的旋转，因为四元数无法表达该旋转，因此，启动游戏后，会变成X:0,Y:5,Z:0。效果相同。

编程中

当在脚本中处理旋转时，应该用四元数来创建或修改旋转值。当然有些情况下，使用欧拉角也是有效的，但是要牢记，要使用四元数接口来处理欧拉角，从四元数获取，修改，重新应用欧拉角到四元数，可能会产生错误的结果。

直接创建和操作四元数

Unity提供了接口，用来创建和操作四元数，而且不需要欧拉角的参与。例如

创建

操作

欧拉角使用注意

然而，有时我们希望在代码中使用欧拉角，这时，要将角度存储到自己定义的变量中，并且用这些变量更新旋转。因为以获取->修改->应用欧拉角的流程写代码，会出错，因为每次取得的欧拉角，是临时从四元数计算出来的，每次计算可能返回不同的欧拉角，可能会导致万向锁问题。

// 正确
float x;
void Update () 
{
	x += Time.deltaTime * 10;
	transform.rotation = Quaternion.Euler(x,0,0);
}

// 错误
void Update () 
{
	var angles = transform.rotation.eulerAngles;
 	angles.x += Time.deltaTime * 10;
	transform.rotation = Quaternion.Euler(angles);
}